Илья Мельников
Электрическая сварка плавлением

ДУГОВАЯ СВАРКА

   Тип сварки определяется видом используемого для плавления источника теплоты – дуговая сварка осуществляется теплотой электрической дуги.
   Дуговой сваркой называется сварка плавлением, при которой нагрев свариваемых кромок осуществляется теплотой электрической дуги. Дуговая сварка классифицируется по следующим признакам:
   – виду электрода (плавящийся и неплавящийся);
   – по виду дуги (свободной или сжатой дугой);
   – по характеру воздействия дуги на основной металл (дугой прямого или косвенного действия, трехфазной дугой).
   Плавящиеся электроды подразделяются на штучные, проволочные и ленточные. Они применяются как сплошного сечения, так и порошковые. Неплавящиеся электроды подразделяются на вольфрамовые, угольные и графитовые. Дуговую сварку производят постоянным током прямой и обратной полярности, переменным током как промышленной, так и повышенной частоты и пульсирующим током. При этом сварка может быть выполнена как одно-, двух– и многодуговая (с раздельным питанием каждой дуги), так и одно-, двух– и многоэлектродная (с общим подводом сварочного тока).
   Ручная дуговая сварка может производиться неплавящимся и плавящимся электродами. Первый способ осуществляют следующим образом. Свариваемые кромки изделия приводят в соприкосновение. Между неплавящимся (угольным, графитовым) электродом и изделием возбуждают дугу. Кромки изделия и вводимый в зону дуги присадочный материал нагреваются до плавления и образуется ванночка расплавленного металла. После затвердения металл ванночки образует сварной шов. Этот способ используется при сварке цветных металлов и их сплавов, а также при наплавке твердых сплавов. Второй способ, выполняемый плавящимся электродом, является основным при ручной дуговой сварке. Электрическая дуга возбуждается между металлическим электродом и свариваемыми кромками изделия. Теплота дуги расплавляет электрод и кромки изделия. Получается общая ванна расплавленного металла, которая, охлаждаясь, образует сварной шов.
   Автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом выполняется путем механизации основных движений, выполняемых сварщиком при ручной сварке – подачи электрода вдоль ее оси в зону дуги и перемещения его вдоль свариваемых кромок изделия. При полуавтоматической сварке механизирована подача электрода в зону дуги, а перемещение электрода вдоль свариваемых кромок производит сварщик вручную. При автоматической сварке механизированы все операции, необходимые для процесса сварки. Жидкий металл сварочной ванны защищают от воздействия кислорода и азота воздуха расплавленным шлаком, образованным от плавления флюса, подаваемого в зону дуги. После затвердевания металла сварочной ванны образуется сварной шов.
   Дуговая сварка в защитном газе выполняется неплавящимся (вольфрамовым) или плавящимся электродом. В первом случае сварной шов формируется за счет металла расплавляемых кромок изделия. При необходимости в зону дуги подается присадочный металл. В этом случае подаваемая в зону дуги электродная проволока расплавляется и участвует в образовании сварного шва. Защиту расплавленного металла от окисления и азотирования осуществляют струей защитного газа, оттесняющего атмосферный воздух из зоны дуги.
   Электрошлаковая сварка осуществляется путем сплавления металла свариваемых кромок изделия и электрода теплотой, выделяемой током при прохождении через расплавленный шлак. Кроме того, шлак защищает расплавленный металл от воздействия воздуха. Формирование сварного шва осуществляется с помощью движущихся вдоль кромок медных ползунов с водяным охлаждением.

ОСОБЫЕ ВИДЫ СВАРКИ

   Наиболее часто применяются следующие виды сварки.
   Электронно-лучевая сварка осуществляется путем использования кинетической энергии концентрированного потока электронов, движущихся с большой скоростью в вакууме. Высокий вакуум в сварочной камере значительно снижает потери кинетической энергии электронов и обеспечивает химическую и тепловую защиту катода и свариваемого изделия. Раскаленный вольфрамовый катод, размещенный в фокусирующей головке, излучает поток электронов. Под действием высокого напряжения (30-100) кВ между катодом и ускоряющим электродом (анодом) поток электронов приобретает значительную кинетическую энергию. Магнитной линзой поток электронов фокусируется в узкий луч, который с помощью магнитной отклоняющей системы направляется точно на свариваемые кромки изделия. Питание установки осуществляется высоковольтным источником постоянного тока.
   Плазменная сварка – сварка плавлением, при которой нагрев производится сжатой дугой. Основана на использовании струи ионизированного газа – плазмы, содержащего электрически заряженные частицы и способного проводить ток. Различают плазменную струю прямого и косвенного действий. Плазмообразующий газ (аргон, азот, водород), подаваемый в сопло плазмотрона, сжимает столб дуги, горящей между вольфрамовым электродом и свариваемым изделием. Происходит значительное повышение температуры столба дуги и ионизация плазмообразующего газа.
   Струей нагретого до 10000-20000 К и ионизированного газа – плазмы – сваривают самые различные тугоплавкие сплавы, металлы и неметаллические материалы, в том числе и неэлектропроводные. Энергия дуговой плазменной струи зависит от сварочного тока, напряжения, расхода газа, скорости сварки и других параметров. Источники питания дуги должны иметь рабочее напряжение более 120 В. Плазмообразующий газ служит также защитой расплавленного металла от атмосферного воздуха. Иногда для защиты расплавленного металла подают отдельную струю более дешевого газа, который, имея более низкую температуру, одновременно охлаждает сопло плазмотрона. В некоторых типах плазмотронов применяют водяное охлаждение.
   Лазерная сварка основана на том, что при большом усилении световой луч способен плавить металл. для получения такого луча применяют устройства, называемые лазерами. Схема действия рубинового лазера такова. Искусственный рубиновый кристалл расположен в кварцевой трубке, которая представляет собой спиральную газоразрядную лампу, наполненную газом ксеноном. При замыкании выключателя происходит разряд высоковольтного конденсатора и в кварцевой лампе появляется вспышка света, в результате чего рубиновый кристалл испускает импульс мощного светового луча. Импульсы светового луча фокусируются и напрвляются в зону сварки. Сварка ведется как бы отдельными точками, перекрывающими друг друга.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется дуговой сваркой? 2. По каким признакам классифицируют дуговую сварку? 3. В каких случаях применяют сварку неплавящимся электродом? 4. В чем суть дуговой сварки в защитном газе? 5. Расскажите принцип действия электронно-лучевой сварки? 6. Как осуществляется плазменная сварка? 7. На чем основана лазерная сварка?

СВАРОЧНАЯ ДУГА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СТРОЕНИЕ ДУГИ. УСЛОВИЯ ЗАЖИГАНИЯ И ГОРЕНИЯ ДУГИ

   Электрическая сварочная дуга – устойчивый электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров материалов, используемых при сварке, и характеризуемый высокой плотностью тока и высокой температурой.
   В зависимости от числа электродов и способов включения электродов и свариваемой детали в электрическую цепь различают следующие виды сварочных дуг:
   – прямого действия, когда дуга горит между электродом и изделием;
   – косвенного действия, когда дуга горит между двумя электродами, а свариваемое изделие не включено в электрическую цепь;
   – трехфазную дугу, возбуждаемую между двумя электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.
   По роду тока различают дуги, питаемые переменным и постоянным током. При использовании постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярности. В первом случае электрод подключается к отрицательному полюсу и служит катодом, а изделие – к положительному полюсу (анод); во втором случае электрод подключается к положительному полюсу и служит анодом, а изделие – к отрицательному и служит катодом.
   В зависимости от материала электрода различают дуги между неплавящимися электродами (угольными, вольфрамовыми) и плавящимися металлическими электродами.
   Сварочная дуга обладает рядом физических и технологических свойств, от которых зависит эффективность использования дуги при сварке. К физическим относятся электрические, электромагнитные, кинетические, температурные, световые. К технологическим свойствам относятся: мощность дуги, пространственная устойчивость, саморегулирование.
   Электрический разряд в газе – это электрический ток, проходящий через газовую среду благодаря наличию в ней свободных электронов, а также отрицательных и положительных ионов, способных перемещаться между электродами под действием приложенного электрического поля (разности потенциалов между электродами).
   Процесс, при котором из нейтральных атомов и молекул образуются положительные и отрицательные ионы, называется ионизацией. При обычных температурах ионизацию можно вызвать, если уже имеющимся в газе электронам и ионам сообщить при помощи электрического поля большие скорости. Обладая большой энергией, эти частицы могут разбивать нейтральные атомы и молекулы на ионы. Кроме того, ионизацию можно вызвать световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, а также излучением радиоактивных веществ.
   В обычных условиях воздух, как и все газы, обладает весьма слабой электропроводностью. Это объясняется малой концентрацией свободных электронов и ионов в газах. Поэтому, чтобы вызвать в газе мощный электрический ток, т. е. образовать электрическую дугу, необходимо ионизировать воздушный промежуток (или другую газообразную среду) между электродами. Ионизацию можно произвести, если приложить к электродам достаточно высокое напряжение, тогда имеющиеся в газе свободные электроны и ионы будут разгоняться электрическим полем и, получив большие энергии, смогут разбить нейтральные молекулы на ионы. Однако при сварке, исходя из правил техники безопасности, нельзя пользоваться высокими напряжениями. Поэтому применяют другой способ. Так как в металлах имеется большая концентрация свободных электронов, то надо извлечь эти электроны из объема металла в газовую среду и затем использовать для ионизации молекул газа. Существует несколько способов извлечения электронов из металлов. Из них для процесса сварки имеют значения два: термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии.
   При термоэлектронной эмиссии происходит "испарение" свободных электронов с поверхности металла благодаря высокой температуре. Чем выше температура металла, тем большее число свободных электронов приобретают энергии, достаточные для преодоления "потенциального барьера" в поверхностном слое и выхода из металла.
   При автоэлектронной эмиссии извлечение электронов из металла производится при помощи внешнего электрического поля, которое несколько изменяет потенциальный барьер у поверхности металла и облегчает выход тех электронов, которые внутри металла имеют достаточно большую энергию и могут преодолеть этот барьер.
   Ионизацию, вызванную в некотором объеме газовой среды, принято называть объемной. Объемная ионизация, полученная благодаря нагреванию газа до очень высоких температур, называется термической. При высоких температурах значительная часть молекул газа обладает достаточной энергией для того, чтобы при столкновениях могло произойти разбиение нейтральных молекул на ионы. Кроме того, с повышением температуры увеличивается общее число столкновений между молекулами газа. При очень высоких температурах в процессе ионизации начинает также играть заметную роль излучение газа и раскаленных электродов.
   Ионизация газовой среды характеризуется степенью ионизации, т. е. отношением числа заряженных частиц в данном объеме к первоначальному числу частиц (до начала ионизации). При полной ионизации степень ионизации будет равна единице.
   При температуре 6000-8000 К такие вещества, как калий, натрий, кальций, обладают достаточно высокой степенью ионизации. Пары этих элементов, находясь в дуговом промежутке, обеспечивают легкость возбуждения и устойчивое горение дуги. Это свойство щелочных металлов объясняется тем, что атомы этих металлов обладают малым потенциалом ионизации. Поэтому для повышения устойчивости горения электрической дуги эти вещества вводят в зону дуги в виде электродных покрытий или флюсов.
   Электрическая дуга постоянного тока возбуждается при соприкосновении торца электрода и кромок свариваемой детали. Контакт в начальный момент осуществляется между микровыступами поверхностей электрода и свариваемой детали. Высокая плотность тока способствует мгновенному расплавлению этих выступов и образованию пленки жидкого металла, которая замыкает сварочную цепь на участке "электрод – свариваемая деталь". При последующем отводе электрода от поверхности детали на 2-4 мм пленка жидкого металла растягивается, а сечение уменьшается, вследствие чего возрастает плотность тока и повышается температура металла. Эти явления приводят к разрыву пленки и испарению вскипевшего металла. Возникшие при высокой температуре интенсивные термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии обеспечивают ионизацию паров металла и газов межэлектродного промежутка.
   В образовавшейся ионизированной среде возникает электрическая сварочная дуга. Процесс возбуждения дуги кратковременен и осуществляется в течение долей секунды. В установившейся сварочной дуге различают три зоны: катодную, анодную и столба дуги. Катодная зона начинается с раскаленного торца катода, на котором расположено так называемое катодное пятно. Отсюда вылетает поток свободных электронов, осуществляющих ионизацию дугового промежутка. Плотность тока на катодном пятне достигает 60-70 А/мм -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. К катоду устремляются потоки положительных ионов, которые бомбардируют и отдают ему свою энергию, вызывая нагрев до температуры 2500-3000 °С.
   Анодная зона расположена у торца положительного электрода, в котором выделяется небольшой участок, называемый анодным пятном. К анодному пятну устремляются и отдают свою энергию потоки электронов, накаляя его до температуры 2500-4000 °С. Столб дуги, расположенный между катодной и анодной зонами, состоит из раскаленных и ионизированных частиц. Температура в этой зоне достигает 6000-7000 °С в зависимости от плотности сварочного тока.
   Для возбуждения дуги в начальный момент необходимо несколько большее напряжение, чем при ее последующем горении. Это объясняется тем, что при возбуждении дуги воздушный зазор недостаточно нагрет, степень ионизации недостаточно высокая и необходимо большее напряжение, способное сообщить свободным электронам достаточно большую энергию, чтобы при их столкновении с атомами газового промежутка могла произойти ионизация. Увеличение концентрации свободных электронов в объеме дуги приводит к интенсивной ионизации дугового промежутка, а отсюда к повышению его электропроводности. Вследствие этого напряжение тока падает до значения, которое необходимо для устойчивого горения дуги.
   Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи называют статической вольт-амперной характеристикой дуги.
   Вольт-амперная характеристика дуги имеет три области: падающую, жесткую и возрастающую. В первой (до 100 А) с увеличением тока напряжение значительно уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увеличивается поперечное сечение, а следовательно, и проводимость столба дуги. Во второй области (100-1000 А) при увеличении тока напряжение сохраняется постоянным, так как сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорционально току. Область характеризуется постоянством плотности тока. В третьей области увеличение тока вызывает возрастание напряжения вследствие того, что увеличение плотности тока выше определенного значения не сопровождается увеличением катодного пятна ввиду ограниченности сечения электрода. Дуга первой области горит неустойчиво и поэтому имеет ограниченное применение. Дуга второй области горит устойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки.
   Напряжение, необходимое для возбуждения дуги, зависит от рода тока (постоянный или переменный), дугового промежутка, материала электрода и свариваемых кромок, покрытия электродов и ряда других факторов. Значения напряжений, обеспечивающих возникновение дуги в дуговых промежутках, равных 2-4 мм, находятся в пределах 40-70 В. Напряжение для установившейся сварочной дуги по формуле U = a + bl, где а – коэффициент, по своей физической сущности составляющий сумму падений напряжений в зонах катода и анода, В; b – коэффициент, выражающий среднее падение напряжения на единицу длины дуги, В/мм; l – длина дуги, мм.
   Длиной дуги называется расстояние между торцом электрода и поверхностью сварочной ванны. Короткой дугой называют дугу длиной 2-4 мм. Длина нормальной дуги составляет 4-6 мм. Дугу длиной более 6 мм называют длинной.
   Оптимальный режим сварки обеспечивается при короткой дуге. При длинной дуге процесс протекает неравномерно, дуга горит неустойчиво – металл, проходя через дуговой промежуток, больше окисляется и азотируется, увеличивается угар и разбрызгивание металла.
   Электрическая сварочная дуга может быть отклонена от своего нормального положения при помощи магнитных полей, создаваемых вокруг дуги и в свариваемой детали. Эти поля действуют на движущиеся заряженные частицы и тем самым оказывают воздействие на всю дугу. Такое явление называют магнитным дутьем. Воздействие магнитных полей на дугу прямо пропорционально квадрату силы тока и достигает заметного значения при сварочных токах более 300 А.
   Магнитные поля оказывают отклоняющее действие на дугу при неравномерном и несимметричном расположении поля относительно дуги. Наличие вблизи сварочной дуги значительных ферромагнитных масс нарушает симметричность магнитного поля дуги и вызывает отклонение дуги в сторону этих масс.
   Магнитное дутье в некоторых случаях затрудняет процесс сварки, и поэтому принимаются меры по снижению его действия на дугу. К таким мерам относятся: сварка короткой дугой; подвод сварочного тока в точке, максимально близкой к дуге; наклон электрода в сторону действия магнитного дутья; размещение у места сварки ферромагнитных масс.
   При использовании переменного тока анодное и катодное пятна меняются местами с частотой, равной частоте тока. С течением времени напряжение и ток периодически изменяются от нулевого значения до наибольшего. При переходе значения тока через нуль и перемене полярности в начале и в конце каждого полупериода дуга гаснет, температура активных пятен и дугового промежутка снижается. Вследствие этого происходит деионизация газов и уменьшение электропроводности столба дуги. Интенсивнее падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны в связи с отводом теплоты в массу основного металла. Повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода возможно только при повышенном напряжении, называемом пиком зажигания. При этом установлено, что пик зажигания несколько выше, когда катодное пятно находится на основном металле. Для снижения пика зажигания, облегчения повторного зажигания дуги и повышения устойчивости ее горения применяют меры, снижающие эффективный потенциал ионизации газов в дуге. При этом электропроводность дуги после угасания дуги сохраняется дольше, пик зажигания снижается, дуга легче возбуждается и горит устойчивее. К этим мерам относится применение различных стабилизирующих элементов (калий, натрий, кальций и др.), вводимых в зону дуги в виде электродных покрытий или в виде флюсов.

ТЕПЛОВАЯ МОЩНОСТЬ ДУГИ

   Энергия мощных потоков заряженных частиц, бомбардирующих катод и анод, превращается в тепловую энергию электрической дуги. Суммарное количество теплоты Q (Дж), выделяемое дугой на катоде, аноде и столбе дуги, определяется по формуле Q = lUt, где l – сварочный ток, A; U напряжение дуги, В; t – время горения дуги, с.
   При питании дуги постоянным током наибольшее количестно теплоты выделяется в зоне анода (42-43%). Это объясняется тем, что анод подвергается более мощной бомбардировке заряженными частицами, чем катод, а при столкновении частиц в столбе дуги выделяется меньшая доля общего количества теплоты.
   При сварке угольным электродом температура в катодной зоне достигает 3200 °С, в анодной – 3900 °С, а в столбе дуги среднее значение температуры составляет 6000°С. При сварке металлическим электродом температура катодной зоны составляет около 2400 °С, а анодной – 2600 °С.
   Разная температура катодной и анодной зон, а также и разное количество теплоты, выделяющееся в этих зонах, используются при решении технологических задач. При сварке деталей, требующих большого подвода теплоты для прогрева кромок, применяют прямую полярность, при которой анод (плюсовая клемма источника тока) подсоединяют к детали, а катод (минусовая клемма источника тока) – к электроду. При сварке тонкостенных изделий, тонколистовых конструкций, а также сталей, не допускающих перегрева (нержавеющие, жаропрочные, высокоуглеродистые и др.), применяют сварку постоянным током обратной полярности. В этом случае катод подсоединяют к свариваемой детали, а анод – к электроду. При этом не только обеспечивается относительно меньший нагрев свариваемой детали, но и ускоряется процесс расплавления электродного материала за счет более высокой температуры анодной зоны и большего подвода теплоты. Полярность клемм источника постоянного тока может быть определена с помощью раствора поваренной соли (половина чайной ложки соли на стакан воды). Если в такой раствор опустить провода от клемм источника тока, то у отрицательного провода будет происходить бурное выделение пузырьков водорода.
   При питании дуги переменным током различие температур катодной и анодной зон и распределение теплоты сглаживаются вследствие периодической смены катодного и анодного пятен с частотой, равной частоте тока.
   Практика показывает, что в среднем при ручной сварке только 60-70 % теплоты дуги используется на нагревание и плавление металла. Остальная часть теплоты рассеивается в окружающую среду через излучение и конвекцию.
   Количество теплоты, используемое на нагрев и плавку свариваемого металла в единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью дуги. Она равна полной тепловой мощности дуги, умноженной на эффективный коэффициент полезного действия нагрева металла дугой. Коэффициент полезного действия зависит от способа сварки, материала электрода, состава электродного покрытия и других факторов. При ручной дуговой сварке электродом с тонким покрытием или угольным электродом он составляет 0,5-0,6; а при качественных электродах – 0,7-0,85. При аргонодуговой сварке потери теплоты значительны и составляют 0,5-0,6. Наиболее полно используется теплота при сварке под флюсом.
   Для характеристики теплового режима процесса сварки принято определять погонную энергию дуги, т. е. количество теплоты, вводимое в металл на единицу длины однопроходного шва, измеряемое в Дж/м. Погонная энергия равна отношению эффективной тепловой мощности к скорости сварки.
   Потери теплоты при ручной дуговой сварке составляют примерно 25 %, из которых 20 % уходят в окружающую среду дуги через излучение и конвекцию паров и газов, а остальные 5 % – на угар и разбрызгивание свариваемого металла. Потери теплоты при автоматической сварке под флюсом составляют только 17 %, из которых 16 % расходуются на плавление флюса, а на угар и разбрызгивание затрачивается около 1 % теплоты.

ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА

   Металл электрода в виде капель переходит в сварочную ванну. Схематично перенос металла электрода можно представить в следующем виде. В начальный момент металл на конце электрода подплавляется и образуется слой расплавленного металла. Затем под действием сил поверхностного натяжения и силы тяжести этот слой металла принимает форму капли с образованием у основания тонкой шейки. Поперечное сечение шейки капли с течением времени уменьшается, что приводит к значительному увеличению плотности тока у шейки капли. Удлинение шейки продолжается до момента касания капли поверхности сварочной ванны. В этот момент происходит короткое замыкание сварочной цепи. Резкое возрастание тока приводит к разрыву шейки и в следующее мгновение вновь возникает, но уже между торцом электрода и каплей. Под давлением паров и газов зоны дуги капля с ускорением внедряется в жидкий металл сварочной ванны. При этом часть металла в виде брызг выбрасывается из зоны сварки. Затем процесс каплеобразования повторяется.
   Время горения дуги и короткого замыкания составляет примерно 0,02-0,05 с. Частота и продолжительность короткого замыкания в значительной степени зависят от длины сварочной дуги. Чем меньше длина дуги, тем больше коротких замыканий и тем они продолжительнее. Форма и размеры капель металла зависят от сварочного тока, состава и толщины электродного покрытия, положения шва. Перенос электродного металла крупными каплями происходит при сварке на малых токах электродами с тонким покрытием. При больших плотностях сварочного тока и при использовании электродов с толстым покрытием перенос металла происходит в виде потока мельчайших капель. Электродное покрытие снижает поверхностное натяжение металла. Кроме того, газообразующие компоненты, выделяя большое количество газов, создают в зоне дуги повышенное давление, которое способствует размельчению капель жидкого металла.
   На процесс переноса капель металла в дуге действует газовое дутье, представляющее собой поток газов, направленный вдоль дуги в сторону сварочной ванны. При сварке электродом с толстым покрытием стержень электрода плавится быстрее и торец его оказывается немного прикрытым "чехольчиком" покрытия. Интенсивное газообразование в небольшом объеме "чехольчика" приводит к явлению газового дутья, ускоряющего переход капель металла в сварочную ванну.
   Влияние силы тяжести особенно сказывается при сварке нижних швов (способствует отрыву капель) и потолочных швов (препятствует переносу металла в шов).
   Важным фактором, влияющим на перенос металла в дуге, являются электромагнитные силы. Плотность тока, проходящего через жидкую каплю, велика, поэтому сжимающее действие магнитного поля оказывается заметным. Магнитное поле ускоряет образование и сужение шейки капли, а следовательно, и отрыв ее от торца электрода. Электрическое поле, напряженность которого направлена вдоль дуги в сторону сварочной ванны, действует на жидкую каплю, ускоряя процесс отрыва капель от торца электрода и переход ее в сварочную ванну металла. Перенос капель электродного металла на свариваемый шов при потолочной сварке обеспечивается в основном действием магнитного и электрического полей, а также явлением газового дутья в дуге.
   Капли металла, проходящие через дугу, имеют шлаковую оболочку, которая образуется от плавления веществ, входящих в покрытие электрода. Эта оболочка защищает металл капли от окисления и азотирования, обеспечивая хорошее качество металла шва.
   Доля электродного металла в составе металла шва различна и зависит от способа и режима сварки, а также от вида сварного шва. При ручной сварке доля электродного металла колеблется в широких пределах (30-80%), при автоматической сварке она составляет 30-40%.
   Производительность сварки в значительной степени зависит от скорости расплавления электродного металла, которая оценивается коэффициентом расплавления. Коэффициент расплавления численно равен массе электродного металла (г), расплавленного в течение одного часа, приходящегося на один ампер сварочного тока.
   Коэффициент расплавления зависит от ряда факторов, влияющих на процесс плавки электродного металла. При обратной полярности коэффициент расплавления больше, чем при прямой полярности, так как на аноде выделяется больше теплоты и температура анода выше, чем у катода. Состав покрытия и его толщина влияют на коэффициент расплавления. Это объясняется, во-первых, значением эффективного потенциала ионизации газов; во-вторых, изменением баланса теплоты дугового промежутка. Коэффициент расплавления при ручной дуговой сварке составляет б,5-14,5 г/(А•ч). Меньшие значения имеют электроды с тонким покрытием, а большие значения – электроды с толстым покрытием.
   Для оценки скорости сварки шва пользуются коэффициентом наплавки. Этот коэффициент оценивает количество электродного металла, введенного в свариваемый шов.
   Коэффициент наплавки меньше коэффициента расплавления на величину потерь электродного металла из-за угара и разбрызгивания. Эти потери при ручной сварке достигают 25-30 %, при автоматической сварке под флюсом потери составляют только 2-5 % от количества расплавленного электродного металла. Знание этих коэффициентов позволяет произвести расчет потребного количества электродного металла для сварки шва установленного сечения и определить скорость сварки шва.

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДУГИ

ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКАМ ПИТАНИЯ

   Важным условием получения сварного шва высокого качества является устойчивость процесса сварки. Для этого источники питания дуги должны обеспечить возбуждение и стабильное горение дуги.
   Возбуждение сварочной дуги начинается с короткого замыкания сварочной цепи – контакта между электродом и деталью. При этом происходит выделение теплоты и быстрое разогревание места контакта. Эта начальная стадия требует повышенного напряжения сварочного тока. В дальнейшем происходит некоторое уменьшение сопротивления дугового промежутка (вследствие эмиссии электронов с катода и появления объемной ионизации газов в дуге), что вызывает снижение напряжения до предела, необходимого для поддержания устойчивого горения дуги.
   В процессе сварки при переходе капель электродного металла в сварочную ванну происходят очень частые короткие замыкания сварочной цепи. Вместе с этим изменяется длина сварочной дуги. При каждом коротком замыкании напряжение падает до нулевого значения. Для последующего восстановления дуги необходимо напряжение порядка 25-30 В. Такое напряжение должно быть обеспечено за время не более 0,05 с, чтобы поддержать горение дуги в период между короткими замыканиями. Следует учесть, что при коротких замыканиях сварочной цепи развиваются большие токи (токи короткого замыкания), которые могут вызвать перегрев в проводке и обмотках источника тока.
   Эти условия процесса сварки определили требования, предъявляемые к источникам питания сварочной дуги. Для обеспечения устойчивого процесса сварки источники питания дуги должны удовлетворять следующим требованиям:
   – напряжение холостого хода должно быть достаточным для легкого возбуждения дуги и в то же время не должно превышать норм безопасности. Максимально допустимое напряжение холостого хода установлено для источников постоянного тока 90 В; для источников переменного тока – 80 В;
   – напряжение устойчивого горения дуги (рабочее напряжение) должно быстро устанавливаться и изменяться в зависимости от длины дуги. С увеличением длины дуги напряжение должно быстро возрастать, а с уменьшением – быстро падать. Время восстановления рабочего напряжения от 0 до 30 В после каждого короткого замыкания (при капельном переносе металла от электрода к свариваемой детали) должно быть менее 0,05 с;
   – ток короткого замыкания не должен превышать сварочный ток более чем на 40-50 %. При этом источник тока должен выдерживать продолжительные короткие замыкания сварочной цепи. Это условие необходимо для предохранения обмоток источника тока от перегрева и повреждения;
   – мощность источника тока должна быть достаточной для выполнения сварочных работ.
   Промышленностью выпускаются следующие типы источников питания сварочной дуги: сварочные преобразователи, сварочные аппараты переменного тока, сварочные выпрямители.

СВАРОЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

   Сварочные преобразователи подразделяют на группы:
   – по количеству одновременно подключенных постов – однопостовые, предназначенные для питания одной сварочной дуги, и многопостовые, питающие одновременно несколько сварочных дуг;
   – по способу установки – стационарные, устанавливаемые неподвижно на фундаментах, и передвижные, монтируемые на тележках;
   – по роду двигателей, приводящих генератор во вращение – машины с электрическим приводом и машины с двигателем внутреннего сгорания (бензиновым или дизельным);
   – по способу выполнения – однокорпусные, в которых генератор и двигатель вмонтированы в единый корпус, и раздельные, в которых генератор и двигатель установлены в единой рамке, а привод осуществляется через специальную соединительную муфту.
   Однопостовые сварочные преобразователи состоят из генератора и электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания. Сварочные генераторы изготовляют по электромагнитным схемам, которые обеспечивают падающую внешнюю характеристику и ограничение тока короткого замыкания. Внешняя вольт-амперная характеристика I показывает зависимость между напряжением и током на клеммах сварочной цепи генератора. Для устойчивости горения сварочной дуги характеристика генератора I должна пересекать характеристику дуги III. Возбуждение дуги осуществляется при соприкосновении электрода и изделия. При этом напряжение изменяется от точки 1 к точке 2. При возникновении и устойчивом горении сварочной дуги ее характеристика смещается с положения II и занимает положение III, а напряжение возрастает до значения, указанного точкой 3. Эта точка соответствует режиму устойчивого горения сварочной дуги. Ток короткого замыкания (точка 4) не должен превышать сварочный ток (точка 5) более чем в 1,5 раза.
   Наибольшее распространение получили однопостовые генераторы с расщепленными полюсами и генераторы с размагничивающей последовательной обмоткой. Генераторы с расщепленными полюсами работают по принципу использования магнитного потока якоря для получения падающей внешней характеристики.
   Генератор имеет четыре основных и два дополнительных полюса. При этом одноименные основные полюсы расположены рядом, составляя как бы один раздвоенный полюс. Обмотки возбуждения имеют две секции: регулируемую и нерегулируемую. Нерегулируемая обмотка расположена на всех четырех основных полюсах, а регулируемая помещена только на поперечных полюсах генератора. В цепь регулируемой обмотки возбуждения включен реостат. На дополнительных полюсах расположена сериесная обмотка. По нейтральной линии симметрии О-О между разноименными полюсами на коллекторе генератора расположены основные щетки, к которым подключается сварочная цепь. Дополнительная щетка служит для питания обмоток возбуждения.
   Сварочный ток регулируют в два приема – грубо и точно. Грубое регулирование производят смещением щеточной траверсы, на которой расположены все три щетки генератора. Если сдвигать щетки по направлению вращения якоря, то размагничивающее действие потока якоря увеличивается и сварочный ток уменьшается. При обратном сдвиге размагничивающее действие уменьшается и сварочный ток увеличивается. Таким образом, устанавливают интервалы больших и малых токов. Плавное и точное регулирование тока производят реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения. Увеличивая или уменьшая реостатом ток возбуждения в обмотке поперечных полюсов, изменяют магнитный поток и тем самым изменяют напряжение генератора и сварочный ток.
   В генераторах с расщепленными полюсами поздних выпусков регулирование сварочного тока производится изменением числа витков секционированных обмоток полюсов генератора и реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения. Реостат устанавливается на корпусе генератора и имеет шкалу с делениями. По такой схеме работают генераторы СГ-ЗООМ-1, используемые в преобразователях ПС-ЗООМ-1.
   Генератор с размагничивающим действием последовательной обмотки возбуждения, включенной в сварочную цепь, имеет две обмотки: обмотку возбуждения и размагничивающую последовательную обмотку. Обмотка возбуждения питается либо от основной и дополнительной щеток, либо от специального источника постоянного тока (от сети переменного тока через селеновый выпрямитель). Магнитный поток Фн, создаваемый этой обмоткой, постоянен и не зависит от нагрузки генератора. Размагничивающая обмотка включена последовательно с обмоткой якоря так, что при горении дуги сварочный ток, проходя через обмотку, создает магнитный поток Фр, направленный против потока Фн. Следовательно, э.д.с. генератора будет индуцироваться результирующим магнитным потоком Фн-Фр. С увеличением сварочного тока магнитный поток Фр возрастает, а результирующий магнитный поток Фн-Фр уменьшается. Как следствие, уменьшается индуцируемая э.д.с. генератора. Таким образом, размагничивающее действие обмотки обеспечивает получение падающей внешней характеристики генератора.
   Сварочный ток регулируют переключением витков последовательной обмотки (грубая регулировка – два диапазона) и реостатом обмотки возбуждения (плавная и точная регулировка в пределах каждого диапазона). По такой схеме выпускаются генераторы ГСО-120, ГСО-300, ГСО-500, ГС-500 и др.
   Сварочный преобразователь типа ПСО-500 состоит из генератора ГСО-500 и трехфазного асинхронного электродвигателя АВ-72-4, смонтированных в едином корпусе на колесах для перемещения по строительной площадке. Преобразователь предназначен для ручной дуговой сварки, полуавтоматической шланговой и автоматической сварки под флюсом. Грубое регулирование сварочного тока производят переключением секционированной последовательной обмотки генератора. Для этого на клеммовую доску генератора выведены один отрицательный и два положительных контакта. Если необходим сварочный ток в пределах 120-350 A, то сварочные провода присоединяют к отрицательному и среднему положительному контактам. При работе на токах 350-600 А сварочные провода присоединяют к отрицательному и крайнему положительному контактам. Плавно регулируют сварочный ток реостатом, включенным в цепь обмотки независимого возбуждения. Реостат расположен на корпусе машины и имеет маховик с токоуказателем. Шкала имеет два ряда цифр, соответствующих подключаемым контактам: внутренний ряд до 350 А и наружный ряд до 600 А.
   Для выполнения сварочных работ при отсутствии электроэнергии применяют подвижные сварочные агрегаты, состоящие из сварочного генератора и двигателя внутреннего сгорания.
   Сварочный агрегат типа ПАС-400-VIII состоит из генератора СГП-З-VI и двигателя внутреннего сгорания ЗИЛ-120 или ЗИЛ-164. Генератор работает по схеме с размагничивающей последовательной обмоткой. Регулирование тока производят реостатом цепи основной обмотки возбуждения. Двигатель сварочного агрегата специально переоборудован для режима длительной стационарной работы. Он имеет автоматический центробежный регулятор скорости вращения, ручное регулирование для работы при малых скоростях, автоматическое выключение зажигания при внезапном увеличении скорости. Сварочный агрегат смонтирован на жесткой металлической раме с катками для перемещения. Наличие крыши и боковых металлических штор, защищающих от атмосферных осадков, позволяет работать на открытом воздухе.
   Для сварки в защитных газах, а также для полуавтоматической и автоматической сварок применяют генераторы с жесткой или возрастающей внешней характеристикой. Такие генераторы имеют обмотки независимого возбуждения и подмагничивающую последовательную обмотку. При холостом ходе э. д. с. генератора наводится магнитным потоком, который создается обмоткой независимого возбуждения. При рабочем режиме сварочный ток, проходя через последовательную обмотку, создает магнитный поток, совпадающий по направлению с магнитным потоком обмотки независимого возбуждения. Тем самым обеспечивается жесткая или возрастающая вольт-амперная характеристика.
   Преобразователь такого типа ПСГ-350 состоит из сварочного генератора постоянного тока ГСГ-350 и трехфазного асинхронного электродвигателя АВ-61-2 мощностью 14 кВт. Генератор имеет обмотку независимого возбуждения и подмагничивающую последовательную обмотку. Обмотка независимого возбуждения питается от внешней сети через селеновые выпрямители и стабилизатор, который исключает влияние колебания напряжения в сети на ток возбуждения. Последовательная обмотка разделена на две секции: при включении в сварочную цепь части витков генератор работает на режиме жесткой характеристики, а при использовании всех витков обмотки генератор дает возрастающую внешнюю характеристику. Генератор и двигатель размещены в общем корпусе и смонтированы на тележке.
   При работе на строительной площадке или заводе нескольких сварочных постов, расположенных недалеко друг от друга, применяют многопостовые сварочные преобразователи. Внешняя характеристика многопостового генератора должна быть жесткой, т. е. независимо от количества работающих постов напряжение генератора должно быть постоянным. Для получения постоянного напряжения многопостовой генератор имеет параллельную обмотку возбуждения и последовательную обмотку, создающую магнитный поток того же направления.
   Применение многопостовых сварочных преобразователей позволяет значительно уменьшить площади под сварочным оборудованием, сократить расходы на ремонт, уход и обслуживание. Однако кпд сварочного поста значительно ниже, чем при однопостовом преобразователе, вследствие больших потерь мощности в балластных реостатах.
   Если мощность одного генератора недостаточна для работы сварочного поста, то включают параллельно два сварочных агрегата. При параллельном включении генераторов необходимо соблюдать следующие условия. Генераторы должны быть одинаковыми по типу и внешним характеристикам. До включения необходимо отрегулировать генераторы на одинаковое напряжение холостого хода. После включения в работу следует с помощью регулирующих устройств установить по амперметру одинаковую нагрузку генераторов. При неодинаковой нагрузке напряжение одного генератора будет выше другого и генератор с низким напряжением, питаемый током второго генератора, будет работать как двигатель. Это приведет к размагничиванию полюсов генератора и выходу его из строя. Поэтому следует постоянно следить за показаниями амперметров и при необходимости отрегулировать равномерность нагрузок генераторов.
   Для уравнивания напряжения параллельно работающих генераторов с падающими внешними характеристиками применяют перекрестное питание их цепей возбуждения: обмотки возбуждения одного генератора питаются от щеток якоря другого генератора. Для этой цели генераторы имеют уравнительные контакты, которые надо при параллельной работе соединить между собой.
   При параллельном включении многопостовых генераторов типа ПСМ-1000 необходимо клеммы на щитках генераторов ГС-1000, обозначенные буквой У (уравнительный), соединить между собой уравнительным проводом. Этим проводом последовательные обмотки генераторов соединяются параллельно и таким образом исключаются колебания в распределении нагрузки между генераторами.

СВАРОЧНЫЕ АППАРАТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

   Сварочные аппараты переменного тока состоят из понижающего трансформатора и специального устройства, создающего падающую внешнюю характеристику и регулирующего сварочный ток. Они подразделяются на две группы: аппараты, состоящие из трансформатора с жесткой внешней характеристикой и дросселя, и аппараты, имеющие трансформатор с падающей внешней характеристикой, создаваемой усиленными полями рассеяния в самом трансформаторе. Сварочные аппараты первой группы могут быть с отдельным дросселем и со встроенным дросселем.
   Сварочные аппараты с отдельным дросселем состоят из понижающего трансформатора и дросселя регулятора тока. Трансформатор имеет сердечник (магнитопровод) из отштампованных пластин, изготовленных из тонкой трансформаторной стали толщиной 0,5 мм. На сердечнике расположены первичная и вторичная обмотки. Первичная обмотка из изолированной проволоки подключается к сети переменного тока напряжением 220 или 380 В. Во вторичной обмотке, изготовленной из медной шины, индуцируется ток напряжением 60-70 В. Небольшое магнитное рассеивание и малое омическое сопротивление обмоток обеспечивают незначительное внутреннее падение напряжения и высокий к. п. д. трансформатора. Последовательно вторичной обмотке в сварочную цепь включена обмотка (из голой медной шины) дросселя (регулятора тока). Сердечник дросселя набран из пластин тонкой трансформаторной стали и состоит из двух частей: неподвижной, на которой расположена обмотка дросселя, и подвижной, перемещаемой с помощью винтовой пары. При вращении рукоятки по часовой стрелке воздушный зазор увеличивается, а против часовой стрелки – уменьшается.
   При возбуждении дуги (при коротком замыкании) большой ток, проходя через обмотку дросселя, создает мощный магнитный поток, наводящий э.д.с. дросселя, направленную против напряжения трансформатора. Вторичное напряжение, развиваемое трансформатором, полностью поглощается падением напряжения в дросселе. Напряжение в сварочной цепи почти достигает нулевого значения. При возникновении дуги сварочный ток уменьшается, вслед за ним уменьшается э.д.с. самоиндукции дросселя, направленная против напряжения трансформатора и в сварочной цепи устанавливается рабочее напряжение, необходимое для устойчивого горения дуги, меньшее, чем напряжение холостого хода. Изменяя зазор между неподвижным и подвижным магнитопроводом, изменяют индуктивное сопротивление дросселя и тем самым ток в сварочной цепи. При увеличении зазора магнитное сопротивление магнитопровода дросселя увеличивается, магнитный поток ослабляется, уменьшается э.д.с. самоиндукции катушки и ее индуктивное сопротивление. Это приводит к возрастанию сварочного тока. При уменьшении зазора сварочный ток уменьшается. По этой схеме изготовлены и эксплуатируются сварочные трансформаторы типа СТЭ. Они просты и безопасны в работе.
   Сварочные аппараты со встроенным дросселем. Сердечник трансформатора состоит из основного магнитопровода, на котором расположены первичная и вторичная обмотки собственно трансформатора, и добавочного магнитопровода с обмоткой дросселя (регулятор тока). Добавочный магнитопровод расположен над основным и состоит из неподвижной и подвижной частей, между которыми при помощи винтового механизма устанавливается необходимый воздушный зазор.
   Магнитный поток, создаваемый обмоткой дросселя, может иметь попутное или встречное направление с потоком, создаваемым вторичной обмоткой трансформатора, в зависимости от того, как включены эти обмотки. При встречном соединении магнитные потоки, возникающие при прохождении тока во вторичной обмотке трансформатора и обмотке регулятора тока, будут направлены навстречу друг другу.
   Регулирование сварочного тока производится изменением воздушного зазора – чем больше зазор, тем больше сварочный ток.
   Сварочные аппараты с увеличенным магнитным рассеянием делятся на две группы: с подвижными обмотками и с магнитным шунтом. У обычных силовых трансформаторов первичная и вторичная обмотки максимально сближены, потоки рассеяния минимальные и поэтому внешняя характеристика жесткая. У трансформаторов сварочных аппаратов с увеличенным магнитным рассеянием первичная и вторичная обмотки разведены, потоки рассеяния большие, а внешняя характеристика падающая. Сварочный трансформатор с подвижными обмотками имеет магнитопровод, на обоих стержнях которого расположены по две катушки, одна с первичной обмоткой, а вторая со вторичной. Катушки первичной обмотки закреплены неподвижно в нижней части сердечника, катушки вторичной обмотки перемещаются по стержням с помощью винтовой пары. Сварочный ток регулируют изменением расстояния между первичными и вторичными обмотками. При увеличении этого расстояния магнитный поток рассеяния возрастает, а сварочный ток уменьшается. По этому принципу изготовлены сварочные аппараты типа ТС, ТСК, ТД с алюминиевыми обмотками.
   Сварочные аппараты типа ТСК имеют конденсаторы, которые включены параллельно первичным обмоткам. Они способствуют повышению коэффициента мощности. Трансформатор типа ТД имеет два диапазона сварочных токов: большие токи – при параллельных соединениях катушек первичной и вторичной обмоток, и малые токи – при последовательных соединениях обмоток. При этом небольшая часть первичной обмотки отключается и этим повышают напряжение холостого хода, что обеспечивает устойчивое зажигание и горение дуги при малых токах. Переключение обмоток производится одновременно пакетным переключателем. В каждом диапазоне сварочный ток плавно регулируют, изменяя расстояние между катушками первичной и вторичной обмоток.
   Для сварочных работ в монтажных условиях выпускаются облегченные переносные сварочные аппараты с подвижными катушками обмоток ТД-102 и ТД-306. Трансформатор ТД-102 номинальной мощностью 11,4 кВ•А имеет пределы регулирования сварочного тока 55-175 А. С помощью барабанного переключателя производят ступенчатое регулирование сварочного тока (два диапазона). Плавное регулирование в пределах каждого диапазона обеспечивается перемещением первичной обмотки с помощью ходового винта и рукоятки регулятора тока. При вращении рукоятки по часовой стрелке катушки обмоток сближаются и сварочный ток увеличивается. Масса аппарата ТД-102 38 кг. Аппарат ТД-306 имеет номинальную мощность 19,4 кВ•А, пределы регулирования сварочного тока 90-300 А и массу 71 кг.
   В условиях строительно-монтажной площадки особенно удобны трансформаторы ТД-304, имеющие устройство для дистанционного регулирования сварочного тока.
   Для автоматической дуговой сварки под флюсом используются трансформаторы с управляемым магнитным шунтом. Принцип действия основан на создании повышенных магнитных полей рассеяния при изменении магнитного насыщения управляемого шунта. Шунт имеет обмотку управления, которую подключают к источнику постоянного напряжения. Сварочные трансформаторы с управляемым шунтом типа ТДФ состоят из трансформатора, регулятора тока и блока защитной и вспомогательной аппаратуры. Трансформатор имеет магнитопровод стержневого типа, первичная обмотка – две секции и расположена на стержнях в нижней части магнитопровода. Вторичная обмотка многосекционная. Основные ее части расположены на стержнях в верхней части магнитопровода, а дополнительные секции, с меньшим числом витков, размещены совместно с первичной обмоткой на стержнях в нижней части магнитопровода. Такое расположение вторичной обмотки обеспечивает хорошее качество при переключении ступеней сварочного тока и получение крутопадающей внешней характеристики. Переход от ступени малых токов на ступень больших токов выполняется пакетным выключателем. Магнитный шунт с четырьмя обмотками управления расположен в центре между первичной и вторичной обмотками.
   Трехфазные сварочные аппараты применяют при сварке трехфазной дугой спаренными электродами. Процесс сварки осуществляется сварочными дугами, которые возбуждаются между каждым электродом и свариваемой деталью и между электродами. Сварочный аппарат состоит из трехфазного трансформатора, регулятора сварочного тока и магнитного контактора. Первичная обмотка включается в силовую сеть напряжением 220 В (соединение обмоток в треугольник) или 380 В (соединение обмоток в звезду). Вторичная обмотка имеет по две катушки на каждом стержне и выполнена из голой медной шины. Регулятор сварочного тока состоит из двух магнитопроводов с изменяющимися воздушными зазорами и трех обмоток. Две обмотки расположены на одном магнитопроводе и подключены к спаренным в едином электрододержателе электродам, изолированных друг от друга. Третья обмотка расположена на втором магнитопроводе и подключена к свариваемой детали. Регулятор вмонтирован в общий корпус и снабжен двумя рукоятками, с помощью которых производится регулирование сварочного тока (изменением воздушных зазоров в магнитопроводах). Одной рукояткой регулируют ток одновременно в обеих фазах, подключенных к электродам, а второй рукояткой в фазе свариваемого изделия.
   Магнитный контактор служит для включения и размыкания цепи спаренных электродов. В начальный момент при возбуждении дуги сварочная цепь замыкается через свариваемую деталь и один из электродов. Ток проходит по обмотке регулятора и обмотке контактора. Контактор включает обмотку регулятора. Возникает вторая дуга. При отводе электродов от детали ток в обмотках прекращается и контактор гасит дугу между электродами.
   Для получения токов высокой частоты и высокого напряжения применяют осцилляторы параллельного и последовательного включений.
   Осциллятор включают непосредственно в питающую сеть напряжением 220 В. Он состоит из повышающего трансформатора и колебательного контура. Трансформатор повышает напряжение с 220 В до 6000 В. Колебательный контур, состоящий из высокочастотного трансформатора (ВЧТ), конденсатора и разрядника, вырабатывает высокочастотный ток. Контур связан со сварочной цепью индуктивно через трансформатор ВЧТ, выводы вторичной обмотки которой присоединяют один к клемме "земля" выводной панели, а другой ко второй клемме через конденсатор и предохранитель.
   Осцилляторы последовательного включения (М-3, ОС-1) применяют в установках для дуговой сварки в защитных газах. Они обеспечивают более надежную защиту генератора (или силового выпрямительного блока) от пробоя высокочастотным напряжением осциллятора.
   При применении осциллятора дуга загорается даже без прикосновения электрода к изделию (при зазоре 1-2 мм), что объясняется предварительной ионизацией воздушного промежутка между электродом и свариваемой деталью.

СВАРОЧНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

   Сварочные выпрямители – это статические преобразователи энергии трехфазной сети переменного тока в энергию выпрямленного (пульсирующего) тока.
   Разработаны и выпускаются сварочные выпрямители для ручной или механизированной дуговой сварки под флюсом, сварки в защитной среде и др. Они получили широкое применение благодаря их технологическим преимуществам: высокий к. п. д. и относительно небольшие потери холостого хода, высокие динамические свойства при меньшей электромагнитной индукции, отсутствие вращающихся частей и бесшумность в работе, равномерность нагрузки фаз, небольшая масса, возможность замены медных проводов алюминиевыми. Но следует иметь в виду, что для выпрямителей продолжительные короткие замыкания представляют большую опасность, так как могут вывести из строя диоды. Кроме того, они чувствительны к колебаниям напряжения в сети.
   Сварочные выпрямители состоят из двух блоков: понижающего трехфазного трансформатора с устройствами для регулирования напряжения или тока и выпрямительного блока. Кроме того, выпрямитель имеет пускорегулирующее и защитное устройства, обеспечивающие нормальную эксплуатацию.
   Выпрямление тока осуществляется по трехфазной мостовой схеме, состоящей из шести плеч. В каждом плече моста установлены вентили, выпрямляющие оба полупериода переменного тока в трех фазах. В каждый момент времени ток проходит через два вентиля и, таким образом, в течение одного периода происходит шесть пульсаций выпрямленного тока, что соответствует частоте пульсации 300 Гц.
   Сварочные выпрямители подразделяются на однопостовые с падающими, жесткими, пологопадающими и универсальными характеристиками и многопостовые с жесткими характеристиками.
   Падающая характеристика в выпрямителе создается включением в сварочную цепь реактивной катушки или применением трансформатора с усиленным магнитным рассеянием. У многопостовых сварочных выпрямителей для создания падающей внешней характеристики и регулирования сварочного тока в сварочную цепь каждого поста включают балластный реостат.
   Выпрямители типа ВД, предназначенные для ручной и механизированной сварки и наплавки, имеют крутопадающую внешнюю характеристику. Регулирование сварочного тока производят ступенчато (два диапазона) и плавно (в пределах каждого диапазона). Переключатель диапазонов сварочного тока расположен на лицевой панели выпрямителя и производит одновременное переключение первичной и вторичной обмоток со "звезды" (диапазон малых токов) на "треугольник" (диапазон больших токов). Переключение производят только после отключения выпрямителя от силовой сети. При переключении пределы изменения тока увеличиваются примерно в три раза. Плавное регулирование тока в пределах каждого диапазона производится изменением расстояния между катушками первичной и вторичной обмоток. Катушки вторичной обмотки закреплены неподвижно у верхнего ярма, а катушки первичной обмотки с помощью ходового винта перемещаются по стержню сердечника трансформатора. Вращая рукоятку ходового винта по часовой стрелке, сближают катушки обмоток, уменьшают индуктивность рассеяния обмоток и, как следствие, увеличивают сварочный ток.
   Сварочные выпрямители с жесткими и пологопадающими внешними характеристиками применяются при сварке плавящимся электродом в углекислом газе, под флюсом, порошковой проволокой. Они различны как конструктивно, так и по электрической схеме. Например, выпрямитель типа ВС состоит из силового трехфазного понижающего трансформатора и выпрямительного блока из селеновых вентилей. В сварочную цепь после выпрямительного блока включен дроссель, позволяющий регулировать нарастание тока короткого замыкания и снижающий потери металла на разбрызгивание. Выпрямитель имеет два переключателя числа витков первичной обмотки трансформатора, которыми путем изменения коэффициента трансформации регулируется выходное напряжение. Один переключатель для ступенчатого регулирования имеет три положения, второй для плавного регулирования – восемь положений. Таким образом, выпрямитель имеет 24 значения сварочного тока. Регулирование сварочного тока можно производить только при холостом ходе, что является серьезным недостатком выпрямителя. В промышленности и строительстве они применяются, но с производства сняты.
   Выпрямители типа ВДГ состоят из трансформатора с нормальным магнитным рассеянием и трехфазного дросселя насыщения. Рабочие обмотки дросселя включены в плечи выпрямительного блока. Регулирование выходного напряжения ступенчато-плавное. Ступенчатое регулирование задает три диапазона, получаемые изменением коэффициента трансформации силового трансформатора изменением числа витков первичной обмотки. Плавное регулирование в пределах каждого диапазона осуществляется дросселем насыщения. Выпрямитель имеет дистанционное управление.
   Многопостовые сварочные выпрямители типа ВДМ выпускают серийно на номинальные токи 1000, 1600, 3000 А. Выпрямители имеют жесткую внешнюю характеристику и состоят из силового трехфазного понижающего трансформатора, выпрямительного блока из кремниевых вентилей с вентилятором, пускорегулирующей и защитной аппаратуры. Получение падающей внешней характеристики и регулирование сварочного тока каждого поста производятся подключением балластных реостатов типа РБ-301.
   Сварочные выпрямители типов ВСУ и ВДУ являются универсальными источниками питания дуги. Они предназначены для питания дуги при автоматической и полуавтоматической сварок под флюсом, в защитных газах, порошковой проволокой, а также при ручной сварке. Выпрямители ВСУ кроме блока трехфазного понижающего трансформатора и выпрямительного блока имеют дроссель насыщения с четырьмя обмотками. Переключением этих обмоток можно получать жесткую, пологопадающую и крутопадающую внешние характеристики. Выпрямители ВДУ основаны на использовании в выпрямляющих силовых обмотках управляемых вентилей – тиристоров. Схема управления тиристорами позволяет получать необходимый для сварки вид внешней характеристики, обеспечивает широкий диапазон регулирования сварочного тока и стабилизацию режима сварки при колебаниях напряжения питающей сети.

ОБСЛУЖИВАНИЕ СВАРОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

   Сварочные посты располагаются в специальных кабинах площадью не менее 2х2,5 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

каждая. Кабину отгораживают перегородками, а вход закрывают занавесками, пропитанными огнестойким составом. При сварке громоздких деталей и крупногабаритных сварных конструкций сварочные посты развертывают открыто в цехе, на строительной площадке, на магистральной трассе. При этом рабочее место по возможности огораживают защитными щитами или ширмами.
   Основное оборудование сварочного поста состоит из источника питания дуги, сварочных проводов, электрододержателя и приспособлений для закрепления свариваемых деталей. При размещении поста в кабине устанавливают металлический стол с массивной чугунной или стальной крышкой площадью в 1 м -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

, на которой производят сварочные работы, и винтовой стул с откидной спинкой. Кабина должна иметь местную вытяжную вентиляцию и заземляющий провод.
   Инструмент сварщика:
   – электрододержатель – служит для зажима электрода и подвода к нему сварочного тока. Он должен прочно удерживать электрод, обеспечивать удобное и прочное закрепление сварочного кабеля, а также быстрое удаление огарков и закладку нового электрода. Электрододержатели изготовляют трех типов: для тока 125 А и провода сечением 25 мм -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

; для тока 315 А и провода сечением 50 мм -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

; для тока 500 А и провода сечением 70 мм -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|
-------

. Они должны выдерживать 8000 зажимов электродов, затрачивая на каждую замену электрода не более 4 с. Электрододержатели для тока 500 А должны иметь щиток для защиты руки сварщика от воздействия электрической дуги;
   – щитки, маски или шлемы служат для защиты глаз и лица сварщика от воздействия излучений сварочной дуги и брызг металла. В них имеется смотровое отверстие, в которое вставляют специальное стекло-светофильтр, задерживающий инфракрасные и ультрафиолетовые лучи и снижающий яркость световых лучей дуги. Снаружи светофильтр защищен от брызг металла простым прозрачным стеклом;
   – металлические щетки (ручные и с электроприводом) для зачистки (разделки) швов и очистки сваренных швов от шлака;
   – молоток, зубило, крепежный инструмент;
   – набор шаблонов для промера размеров швов;
   – стальные клейма для клеймения сваренных швов.
   Для защиты тела от ожогов сварщик пользуется брезентовым костюмом, брезентовыми рукавицами и кожаной или валяной обувью. Брюки должны быть гладкими без отворотов с напуском поверх ботинок или валенок. Рукавицы должны одеваться с напуском на рукава и завязываться тесьмой. Прямая одежда и отсутствие открытых частей тела исключают возможность попадания брызг металла на тело и в складки спецодежды. При сварке внутри резервуаров, баков, цистерн необходимо пользоваться резиновыми сапогами и резиновым шлемом. При сварке металлических конструкций, если сварщик работает лежа, сидя или стоя на элементах свариваемой конструкции, кроме резиновых сапог (или галош) и шлема необходимы резиновые коврики, а также наколенники, подлокотники, подшитые войлоком.
   Кроме спецодежды к средствам индивидуальной защиты сварщика относятся: пояс предохранительный с лямками (при работе на высоте), перчатки резиновые диэлектрические, галоши резиновые диэлектрические, коврики резиновые диэлектрические.
   Источники питания дуги размещают непосредственно на каждом месте или группируют в машинном отделении сварочного цеха. В последнем случае в цехе на определенном расстоянии друг от друга располагают постоянные щитки с клеммами для подключения сварочных проводов. К щиткам ток подводится от источника питания постоянной проводкой. При наличии нескольких сварочных постов следует применять многопостовые сварочные агрегаты.
   Сварочные многопостовые преобразователи типа ПСМ-1000 устанавливают на фундаменте. Допускается установка на временном фундаменте в виде жестко связанной деревянной рамы из брусьев (или бревен), к которой болтами крепится корпус сварочного преобразователя.
   При наличии на строительно-монтажной площадке электросиловой сети для выполнения сварочных работ применяют передвижные сварочные преобразователи постоянного тока, выпрямители или аппараты переменного тока в зависимости от вида работ. Например, некоторые сорта легированных сталей лучше сваривать постоянным током. Ответственные сварочные работы, выполняемые особыми электродами, как правило, требуют постоянного тока. В этих случаях применяют сварочные преобразователи или выпрямители. Однако они требуют более трудоемкого ухода и обслуживания, чем аппараты переменного тока.
   При отсутствии электросиловой сети применяют сварочные агрегаты с двигателем внутреннего сгорания типов АСБ, АСД, ПАС, СДУ.
   В процессе эксплуатации источники сварочного тока требуют ухода и обслуживания. Перед включением источника тока необходимо выполнить следующие работы: очистить его от пыли и грязи, осмотреть и при наличии мелких дефектов устранить их. У сварочных преобразователей особое внимание следует обратить на подшипники, коллектор и щеточный механизм генератора. Щетки должны плотно прилегать к чистой поверхности коллектора. У аппаратов переменного тока следует проверить состояние контактов, изоляции и крепежных деталей сердечника и кожуха. Необходимо чаще смазывать регулировочный механизм. У сварочных выпрямителей особого внимания требует система охлаждения (вентилятор, жалюзи, реле). Следует проверить подтяжку крепежных деталей, наличие и надежность крепления заземляющего провода.
   Сварочные провода выбирают в зависимости от наибольшего допустимого значения сварочного тока. Рекомендуются следующие нормы:

   Эти нормы установлены при длине проводов не более 30 м. При работах на строительных площадках длина сварочных проводов может достигать 150 м. При этом падение напряжения достигает значительных размеров. Если длина провода значительная, необходимо проверить падение напряжения и соответственно скорректировать сечение провода.
   Некоторые узлы источников сварочного тока требуют особого внимания.
   В сварочных преобразователях постоянного тока особого ухода требуют коллектор, щеточный механизм и подшипники.
   Коллектор должен быть чистым, без следов нагара. Слюдяные прокладки не должны выступать между пластинами. Перед пуском в ход коллектор необходимо протирать полотняной тряпкой, смоченной в бензине. При обнаружении нагара прежде всего следует выяснить и устранить причину нагара, а затем прошлифовать коллектор на ходу при поднятых щетках равномерно по всей рабочей поверхности. Для шлифования применяют мелкозернистую прессованную пемзу или мелкую стеклянную бумагу, натянутую на деревянную колодку. Выступающие слюдяные прокладки необходимо осторожно выбрать специальной пилкой на глубину 1 мм и затем зачистить поверхность коллектора от заусенцев и прошлифовать коллектор. После шлифования надо аккуратно протереть коллектор, не допуская попадания пыли в машину.
   Щеточный механизм. Изношенные или поврежденные щетки подлежат замене. При этом новую щетку до эксплуатации необходимо притереть к коллектору. Для этого щетку устанавливают на место и под нее на коллектор вводят полоску стеклянной бумаги (стеклом к щетке) в направлении вращения коллектора. Притирку производят при нормальном нажатии пружины щеткодержателя до полного прилегания рабочей поверхности щетки к коллектору. Образующуюся пыль удаляют продувкой воздухом, а для окончательной прошлифовки щеток генератор включают на холостом режиме.
   Подшипники генератора и электродвигателя требуют не реже двух раз в год тщательной промывки и смазки. Ежедневно в процессе эксплуатации следует внимательно следить за состоянием смазки и при необходимости производить замену или долив. Нарушение работы подшипника обнаруживается по нагреву и ненормальному шуму.
   Аппараты переменного тока требуют регулярной проверки состояния контактов сварочной и заземляющей цепи, изоляции, подтяжки крепежных деталей сердечника и кожуха. Особенно опасны нарушения изоляции проводов и неаккуратное подключение сварочного кабеля. Необходимо чаще смазывать регулировочный механизм. При перемещении аппарата необходимо пользоваться ручками или подъемными кольцами кожуха трансформатора.
   Сварочные выпрямители требуют особого внимания к системе охлаждения, состоящей из вентилятора, жалюзи и реле. Неисправности системы могут привести к перегреву полупроводниковых элементов и выходу из строя выпрямителя. Следует постоянно проверять состояние и надежность всех контактов в сварочной и заземляющей цепях, подтяжку всех крепежных деталей. Через каждые 1-3 мес (в зависимости от условий работы) необходимо очищать выпрямитель от грязи и пыли протиркой чистой ветошью и продувкой сухим сжатым воздухом. Все трущиеся части механизмов выпрямителя необходимо смазывать два раза в год. Важно также в процессе эксплуатации не допускать перегрузки выпрямителя. При работе на открытом воздухе следует принять меры защиты сварочного оборудования от атмосферных осадков.

Илья Мельников Электрическая сварка плавлением